MT T 593.6-2011人工冻土单轴压缩蠕变试验机

冻土沉降蠕变 冻土物理力学试验机

寒区工程冻土蠕变特性试验机

冻土单轴恒定荷载蠕变测试系统

一、产品概述

人工冻土单轴压缩蠕变试验机是专门用于研究人工冻结土在单轴压缩荷载下，随时间产生蠕变变形特性的专用设备。其核心功能是模拟寒区工程中冻土受到长期恒定荷载时的变形规律，为寒区建筑、隧道、路基等工程的设计与安全评估提供关键数据支持。

二、工作原理

试验机通过温控系统维持人工冻土试样在设定的负温环境（如 - 5℃、-10℃等），同时通过加载系统对试样施加恒定的单轴轴向压力（小于冻土瞬时强度），并通过测量系统实时监测试样的轴向变形量随时间的变化，最终通过数据采集系统记录并分析蠕变曲线（变形 - 时间曲线）。

关键原理：

冻土的蠕变特性受温度、荷载大小、冻土含冰量、干密度等因素影响，试验机需精准控制这些变量，单独或耦合分析其对蠕变的影响；

长期荷载下，冻土内部冰晶体的塑性流动、未冻水迁移等微观行为会导致宏观变形随时间累积，试验机通过高精度测量捕捉这一过程。

三、设备组成结构

设备由主机系统、温控系统、加载系统、测量系统、数据采集与控制系统五部分组成，各部分协同实现低温环境下的长期稳定加载与变形监测：

1. 主机系统

框架结构：采用刚性机架，确保加载过程中无明显变形，保证荷载传递的稳定性；

试样夹持装置：用于固定圆柱形或长方体冻土试样，夹持面需平整，避免应力集中。

2. 温控系统

低温恒温箱：包裹试样与加载区域，提供 - 30℃~0℃的可控低温环境，温度波动范围需控制在 ±0.5℃以内（高精度机型可达 ±0.1℃）；

制冷机组：采用压缩机制冷或液氮辅助制冷，确保低温环境长期稳定；

温度传感器：埋设在试样内部及恒温箱内，实时反馈温度数据，通过 PID 控制系统调节制冷功率。

3. 加载系统

加载方式：多采用液压伺服加载或机械砝码加载（液压伺服更适用于高精度、变荷载试验，砝码加载适用于长期恒定荷载）；

荷载控制：通过力传感器实时监测荷载，反馈至控制系统，确保荷载波动不超过设定值的 ±1%（长期试验需更低波动）；

加载范围：根据冻土强度（通常人工冻土单轴抗压强度为 1~10MPa），最大加载力一般为 100kN~500kN，可满足不同尺寸试样的荷载需求。

4. 测量系统

变形测量装置：采用高精度位移传感器，测量范围 0~50mm，分辨率可达 0.001mm，直接接触试样两端或通过机架间接测量轴向变形；

辅助测量：部分设备可集成体积变形测量（如通过液体置换法）或孔隙水压力传感器（监测冻土内部未冻水压力变化）。

5. 数据采集与控制系统

硬件：工业计算机、数据采集卡（采样频率可调节，长期试验通常设为 1 次 / 小时～1 次 / 天）；

软件：具备实时数据显示（荷载 - 时间、变形 - 时间曲线）、自动记录、异常报警（如温度超限、荷载波动过大）、数据导出与分析功能，可生成蠕变曲线及参数计算报告（如蠕变应变率、稳态蠕变阶段持续时间等）。

四、试验流程

1. 试样制备：

按工程需求配制人工冻土（控制含水率、干密度、土颗粒级配等），在冻土模具中冻结至目标温度（如 - 10℃），形成标准试样；

试样两端面打磨平整，保证垂直度（误差≤0.1mm/m），避免加载时产生偏应力。

2. 设备调试：

设定恒温箱目标温度（如 - 5℃），待温度稳定后（通常需 2~4 小时），将试样放入夹持装置，确保轴向对中；

预加载（约 5% 最大荷载），检查位移传感器与试样接触是否良好，排除初始间隙。

3. 加载与监测：

按试验方案施加恒定荷载（如冻土瞬时强度的 30%、50%、70%），记录初始变形（瞬时弹性变形）；

长期监测变形随时间的变化，持续数天至数月（根据工程服役周期设定），直至试样发生破坏（加速蠕变阶段结束）或达到预设时间。

4. 数据处理：

绘制 “轴向应变 - 时间” 蠕变曲线，划分蠕变阶段（瞬时变形→衰减蠕变→稳定蠕变→加速蠕变）；

计算关键参数：如稳定蠕变阶段的应变率、蠕变极限（对应某一应变率的应力值）、长期强度（试样在长期荷载下不破坏的最大应力）。

五、技术参数

最大加载力：100kN~500kN

荷载控制精度：±1% 设定值（长期稳定性）

温度控制范围：-30℃~0℃

温度控制精度：±0.5℃（高精度机型 ±0.1℃）

位移测量范围：0~50mm

位移测量精度：0.001mm

试样尺寸：圆柱形：φ50mm×100mm；长方体：100mm×100mm×200mm

六、应用领域

1、寒区土木工程：

铁路 / 公路路基：研究冻土路基在车辆长期荷载下的沉降蠕变，预测路基稳定性；

隧道工程：分析冻土隧道围岩在支护荷载下的蠕变变形，优化支护结构设计；

桩基工程：评估冻土中桩基在竖向荷载下的长期沉降，确保基础安全。

2、冻土科学研究：

探究冻土含冰量、温度、荷载水平对蠕变特性的影响规律；

验证冻土蠕变本构模型（如弹粘塑性模型、损伤模型）的适用性。

3、人工冻结工程：

地铁、深基坑等人工冻结帷幕的蠕变特性研究，预测冻结帷幕的变形与承载能力，避免工程失稳。

七、设备特点

高精度温控：针对冻土对温度的敏感性，确保低温环境长期稳定，减少温度波动对蠕变的干扰；

长期稳定加载：加载系统需具备低漂移特性，保证数月甚至数年的恒定荷载输出；

自动化监测：支持无人值守试验，自动记录数据并在异常时报警（如停电、荷载骤变）；

抗冻保护：设备关键部件（如液压油、传感器线缆）需具备抗低温性能，避免低温下失效。